Otimizando o Roteamento de PCB de Alta Velocidade para Minimizar Impacto de EMI

As novas gerações de tecnologias eletrônicas levam a uma velocidade de borda cada vez maior dos componentes. A melhoria da velocidade de funcionamento do circuito causa requisitos cada vez mais altos no design de PCB. A qualidade do design de PCB até determina o desempenho de funcionamento dos componentes e de todo o circuito. Especialmente com custo, área de PCB e funcionalidade de circuito abrangente considerados, as fontes de geração de EMI (Interferência Eletromagnética) tornam-se cada vez mais amplas com mecanismo complicado.

Mecanismo de EMI e Soluções

Os principais elementos de EMI contêm fonte de interferência eletromagnética, rota de transmissão e objeto interferido. Com os elementos que levam ao advento de EMI especificados, é necessário determinar elementos que são fáceis de resolver e aqueles que só podem ser parcialmente resolvidos no processo de design de PCB, para que possam ser levados em consideração no processo de layout, roteamento e aterramento.

• Layout

Em termos de layout de PCB, as áreas devem ser divididas de acordo com diferentes funcionalidades. Diferentes funcionalidades são distribuídas em diferentes áreas, enquanto atenção especial deve ser dada a unidades sensíveis em áreas de função.

Geralmente, os seguintes princípios devem ser seguidos para layout de PCB:

a. Em circuitos de alta velocidade, os parâmetros de distribuição de pinos dos componentes devem ser considerados e a capacitância distribuída dos pinos dos componentes é bastante essencial, especialmente para sinais de clock de alta velocidade. Enquanto isso, a indutância distribuída deve ser levada em referência, pois possivelmente levará à oscilação de sinais, o que causa falha de função do circuito. Portanto, no processo de layout, a distribuição deve ser arranjada com alta densidade com comprimento de chumbo reduzido para roteamento futuro e a influência de EMI diminuída.

b. Se tanto componentes analógicos quanto eletrônicos permanecem em um circuito, eles devem ser distribuídos independentemente no processo de layout. Como sinais de componentes digitais têm compostos complicados com múltiplas ondas harmônicas existentes, grande influência será gerada para sinais analógicos. Então eles devem ser considerados com grande cuidado.

c. Unidades de clock são essenciais em circuitos de alta velocidade. O mecanismo de funcionamento da unidade de clock é na verdade equivalente a uma fonte de ruído, o que significa que esta unidade será oscilada quando certas condições forem atendidas. Como uma importante fonte de interferência de condutividade e irradiação, a unidade de clock não deve ser colocada na borda do PCB. Caso contrário, a EMI se tornaria tão séria. É necessário colocar unidades de clock no centro do PCB, o que pode reduzir muito a EMI em circuitos.

• Roteamento

No processo de roteamento de PCB, sob a circunstância de baixo custo, o plano de terra pode ser ampliado o máximo possível para diminuir a influência de EMI. No entanto, na circunstância onde o custo deve ser estritamente controlado, o número de camadas do PCB e a sequência de empilhamento devem ser considerados cuidadosamente. Além disso, tipos de sinais devem ser considerados e o roteamento deve ser realizado independentemente para sinais de alta velocidade e baixa velocidade. Adicionalmente, outros elementos devem ser considerados, incluindo fonte de ruído e como fortalecer a inibição de ruído, questões sobre correspondência de impedância (sinais de alta velocidade sem correspondência adequada definitivamente levarão a reflexão de sinais e diminuirão a confiabilidade dos circuitos) e netlist.

a. Princípios básicos de roteamento

Os princípios gerais seguidos no roteamento incluem:

1). Pontos de quebra devem ser evitados no roteamento, o que significa que ângulo reto deve ser evitado, como mostrado na Figura 1 abaixo.

Como o ângulo reto possivelmente levará a reflexão, o ponto de inflexão deve ser projetado suavemente para evitar este fenômeno. Simultaneamente, sinais-chave não devem ultrapassar áreas divididas, ou a EMI será instantaneamente aumentada. O bypass de sinal mais comum é cruzar diferentes áreas de energia divididas.

2). No processo de layout, componentes analógicos e digitais são requeridos a serem divididos um do outro, o que significa que os roteamentos deles devem ser divididos. Simultaneamente, a largura dos fios de terra e energia deve ser ampliada com a regra geral de que a largura dos fios de terra é maior que a de fios de energia que é maior que a de fios de sinal. Além disso, princípios 3W devem ser levados em plena consideração no roteamento de fios de sinal, enquanto para placas multi-camadas, o princípio 20H deve ser considerado em camadas internas. A conclusão do trabalho acima é capaz de evitar 70% da EMI. Em termos de fios analógicos sensíveis, medidas podem ser implementadas, como aterramento.

3). Para o roteamento de USB 2.0 ou outras linhas diferenciais de alta velocidade, roteamento acoplado deve ser aplicado e a integridade da superfície de referência entre pares diferenciais deve ser garantida. Como pares diferenciais são geralmente sinais de alta velocidade, o roteamento não deve ser arranjado na borda do PCB.

b. Laços

Laços nunca podem ser evitados no design de PCB. Laços são formados desde sinais fluindo para fora até fluindo para dentro e cada um dos laços desempenha um papel como uma antena em funcionalidade. Para reduzir EMI em PCB, tanto o número de laços quanto a capacidade de antena dos laços devem ser diminuídos. Significa que a direção de fluxo de cada sinal deve ser conhecida no design de PCB e a área do laço deve ser diminuída para sinais de alta velocidade.

Em circuitos, os laços mais comumente usados estão em laços de energia contidos por capacitor de desacoplamento, como mostrado na Figura 2.

Se o capacitor de desacoplamento for colocado como no diagrama esquerdo da Figura 2, laços de corrente relativamente grandes serão gerados com fenômeno de EMI óbvio. Em contrário, no diagrama direito da Figura 2, no qual o capacitor de desacoplamento é colocado próximo ao chip, um laço de desacoplamento extremamente pequeno é gerado com uma funcionalidade principal de reduzir EMI. Os princípios que devem ser seguidos são exibidos para reduzir laços:
1). Apenas um caminho é garantido entre dois pontos em cada linha de sinal.
2). Plano de terra deve ser aplicado sem bloqueio em laços de sinal garantido.

c. Fios de terra do PCB

1). Diferenças devem ser esclarecidas entre terra digital, terra analógico e terra de blindagem do sistema no sistema de aterramento de PCB. Contas magnéticas e capacitor são aplicados para separar terra digital e analógico e terra digital e terra de campo devem ser diretamente conectados.
2). Se permitível, fios de terra devem ser alargados no PCB.
3). Formar circuitos fechados por fios de terra para que a capacidade anti-interferência seja fortalecida e a diferença de nível elétrico reduzida entre sistemas.

• Design de filtro

Em PCBs de alta velocidade, processamento de filtro pode ser implementado em fios de energia e sinal. As medidas comuns incluem adição de componentes de filtro magnético, filtro EMI e capacitor de desacoplamento.

a. Seleção de capacitor de desacoplamento

1). Em um circuito, o capacitor de desacoplamento ajuda a tornar a energia suave e fortalecer a capacidade anti-interferência. Geralmente, capacitor cerâmico é escolhido como capacitor de desacoplamento devido à sua alta estabilidade, alta precisão, pequeno volume e baixo ESR (Resistência Série Equivalente). No design de circuito, o valor de resistência é escolhido na faixa de 1 µF a 100 µF, enquanto a capacidade de suportar tensão deve ser considerada de acordo com os circuitos.
2). O capacitor de desacoplamento deve ser colocado próximo aos componentes.

b. Seleção de componentes magnéticos

Componentes magnéticos podem ser classificados em indutor e contas magnéticas. Geralmente, indutor é escolhido no final do terminal de energia, enquanto contas magnéticas entre linhas de sinal. No processo de seleção de componentes, os parâmetros de saturação devem ser levados em consideração. Uma vez que componentes magnéticos atinjam saturação, eles serão queimados. Além disso, tanto a qualidade quanto os parâmetros DCR de componentes magnéticos devem ser considerados.

A medida comumente usada entre linhas de sinal reside na aplicação de contas magnéticas em linhas seriais para fortalecer a capacidade EMI.

c. Seleção de filtro EMI

A área com interferência de modo comum séria reside no local com energia entrando e linhas de sinal saindo. Medidas ordinárias para evitar interferência de modo comum incluem adição de indutor de modo comum, varistor, circuito LC e filtro EMI específico. Em circuitos de alta velocidade, o problema EMI deve ser considerado para a transmissão de alta velocidade em interfaces digitais como USB e HDMI.

• Reflexão de sinal

Na transmissão de sinal, a energia no terminal de fonte é sempre esperada para ser transmitida ao terminal de carga, o que significa que ZL deve ser igual a ZO. Se não forem iguais um ao outro, parte da energia será refletida.

Se o atraso de transmissão de linhas for relativamente longo, sinais mais fortes serão refletidos de volta ao terminal de fonte. Então uma quantidade relativamente grande tem que ser mudada para compensação quando o ringing é gerado, o que é mostrado na Figura 5 abaixo.

Quando o ringing ocorre nos sinais, a EMI atinge o pico de severidade. Para evitar tal fenômeno no design de PCB, por favor siga os princípios na Tabela 1.

Tempo de borda do sinal (ns)	Comprimento das linhas de sinal (polegadas)
5	8,6
4	6,9
3	5,1
2	3,4
1	1,7

Teste de EMI

Após o design do produto, apesar de muitas medidas para evitar EMI, problemas não serão encontrados até a implementação do teste. Então, algumas modificações podem ser feitas para resolver problemas.

O teste de EMI inclui método de teste, dispositivos e posição de teste. Métodos de teste devem ser realizados com referência a todos os itens. Se dispositivos falharem em atingir o padrão, um espectrômetro pode ser aplicado para teste qualitativo. Se valor EMI específico de dispositivos for requerido, dispositivos profissionais devem ser aplicados. Quanto à posição de teste, é melhor fazer o teste em câmara anecoica.

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